Человечество высоко ценит и оберегает водные ресурсы земли, ежегодно 22 марта отмечается День воды, событие посвящено проблемам питьевой H2O, которая недоступна в некоторых местах планеты, важности ресурса для людей. Многочисленные физические свойства воды, ее уникальность заключена в названиях: живая и мертвая; морская и пресная; жесткая и мягкая. Рассмотрим подробно особенности вещества, взаимодействие с другими элементами таблицы Менделеева.

Происхождение воды на планете

Люди веками пытались объяснить удивительные физические свойства воды, часто придумывая нелепые истории. Ученые выдвигают три гипотезы происхождения воды:

  1. Первая – это вне планетное происхождение воды, когда попадавшие на планету метеориты приносили водные массы с собой из разных концов галактики.
  2. Вторая – кометы попадающие на поверхность земли при ее формировании, были перенасыщены водородом и планета сама образовала H2O.
  3. Третья – как следствие извержения вулканов, при конденсировании выпущенного водяного пара из жерла и выпадении осадков.

Какая из теорий верная, остается догадываться, возможно все три имеют право на существование.

Количество воды на планете

Рассматривая глобус или физическую карту мира, возможно наглядно убедиться, что большую часть географии занимают водные просторы, на долю материков остается лишь 29,1%. Объем H2O всех ледников и морей, океанов и рек, а также грунтовых, находящихся в человеке и животных, составляет – 1386000000 км3. Из этого количества питьевая вода – 10 663 450 км3, 99% которой грунтовая, недоступная людям. Водичка из пресных рек и озер – 93 113 км3. К 2050 году по расчетам ученых, каждый 4-й человек на планете будет нуждаться в пресной питьевой воде.

Состав воды и строение молекулы

В зависимости от степени очистки, изменяются ее химические составляющие и свойства. Только дистиллированная вода не имеет никаких примесей. В чистой природной содержаться:

  • калий (K) – 2-20 мг/л;
  • фтор (F) – 0,6-1,2;
  • кальций (Ca) – 25-80;
  • магний (Mg) – 5-50;
  • йод (I) – 0,06;
  • гидрокарбонат-ион (HCO3) – 30-400.

Минерализация составляет от 200 до 500 мг на литр, жесткость колеблется в пределах 1,5-7 мг/дм3. Перечисленные составляющие нужны для нормального функционирования организма, деления клеток, пищеварении и поддержании водного баланса на внутриклеточном уровне.

Состоит молекула воды из двух атомов водорода соединенных ковалентной связью с кислородом: H2+O=H2O, где H имеет положительно заряженные, а O – отрицательные частицы. ФАКТ: Ученые СФУ с коллегами из Швеции, Германии, Швейцарии и Финляндии опровергли принятую теорию строения и пришли к выводу, что структура воды однородна.

Органолептические свойства воды

Не имея возможности сделать химический анализ воды или обычных лакмусовых полосок, человек определял качество жидкости обонянием, на цвет и вкус – так было ранее. Теперь проверка санитарно-химического состава основана на физических, химических, а также органолептических свойствах (когда вид, привкус, наличие аромата сравнивается по таблицам или шкалам). К органолептическим свойствам воды относятся, описание ниже.

Чистота

Наличие и количество посторонних предметов (органического, неорганического мусора) заметных невооруженным глазом, говорит о степени очистки. В водопроводной водичке невозможно встретить таких загрязнений, но для колодезной, из скважины, устанавливают магистральный фильтр для механической очистки.

Цвет

Органолептическое свойство цветность появляется в результате жизнедеятельности (сточные воды, канализация, орошение химикатами полей) или повышения содержания металлов (меди, железа, марганца). Коричневатые оттенки указывают на скопление отмершей органики (гуминовые кислоты, гуматы) в почвах, вымываемые осадками в близлежащие источники.

Запах

Естественный аромат появляется в застойной водичке, от микроорганизмов проживающих в H2O, сезонного цветения, перегнивания органических веществ. Неестественные запахи – это добавление в жидкость реагентов для очистки, химические загрязнения водоемов. Определяется по шкале от 0-5 (0 – ничем не пахнет, 5 – непригодная для употребления), питьевая вода не должна превышать 2 баллов.

Прозрачность

Зависит от количества органики и минералов растворенных в воде. Органолептический показатель характеризуется, как: прозрачный; слабо опалесцирующий; опалесцирующий; слегка замутненный; мутный; сильно мутный. Измеряется путем заполнения цилиндрической колбы (100 см3) H2O, помещением ее на лист с напечатанным текстом. Высота столба воды, при котором буквы читаются – показатель прозрачности.

Вкус

Классифицируют по наличию веществам присутствующим в жидкости, бывает: сладкий, солёный, кислый или горький. Привкус: гнилостный, металлический, свежий, содовый и другие. Интенсивность меряют от ноля до пяти, где 0 – нет вкуса, 5 – сильный привкус, делающий воду непригодной для человека.

Температура

Для утоления жажды лучше употреблять прохладную жидкость, в ней медленнее размножаются бактерии, не так чувствуются вкусы и запахи. Водичка +9 – +15 градусов предпочтительней, если нет болезней горла, +25 неприятно пить, а +35 вызывает тошноту.

Ознакомившись с тем, какие бывают органолептические свойства воды, выясним ее другие особенности.

Физические свойства воды

H2O – обладает уникальными качествами, которые ученые не изучили до конца. Обладательница несчитанного количества физических и химических свойств, она способна видоизменяться в зависимости от температуры, от наличия минералов становиться живой или мертвой, как в сказке.

Тройная точка воды

Определенные рамки значений температуры и давления – уникальная физическая способность жидкости пребывать в трех состояниях при одинаковой температуре – +0,01 градус (273,16 К), давлении – 611,657 Па (0,06 атм). Найти подобное вещество на Земле невозможно, которое может одновременно находится в трех фазах: твердой, жидкой, газообразной фазе.

Состояния не имеют термодинамического равновесия, они существуют благодаря кинетическим ограничениям фазовых переходов. Это физическое свойство воды используется при калибровке приборов, когда за опорную берется тройная точка.

Поверхностное натяжение воды

Имеет максимальное значение (72,7 дин/см) среди жидких веществ, но ртуть – составляет исключение. Этот важный параметр определяет насколько сильное сцепление между молекулами. При маленьком натяжении жидкость улетучивалась бы или испарялась, как спирты и растворители. Для организма, чем ниже степень соединения молекул друг с дружкой, тем лучше циркулирует кровь.

Адгезия и когезия

Сильное взаимодействие частиц H2O с другими позволяет жидкости подниматься против сил гравитации, явление называется капиллярным эффектом. Когезия – это притяжение молекул и образование крепких водородных связей. Наглядный пример этого физического свойства: водомерка бегущая по поверхности пруда, игла плавающая в блюдце или сухой лист скользящий по течению.

Капиллярность

Явление, которое заключается в подъеме, удерживании и опускании жидкости по капиллярным (узким) трубкам имеющим произвольные формы, по пористым телам. Это физическое свойство воды наблюдается при вытеснении нефти в гидрофильных и гидрофобных слоях почвы, при впитывании жидкости в поролоновую губку.

Жесткость воды

Зависит от растворенных в ней солей и минералов, макро и микроэлементов. Жесткая вода (показатель от 10 мг-экв/л) быстро приводит к появлению накипи на нагревательных элементах, а мягкая разрушает трубопроводы (коррозия), та и другая вредны для употребления. Умягченная до средних значений 2-10 мг-экв/л обратноосмотическими системами делает водичку вкуснее, полезнее и сохраняет бытовую технику.

Структура воды

Кристаллоподобные соединения, которые состоят из 57 молекул при взаимодействии образовывают новые группы второго уровня. Это шестигранники сложенные уже из 912 частиц. В структуре кластеров закодирована информация обо всех взаимодействиях, вода – самоорганизующаяся, динамическая система обладающая генетической памятью. Даже большое количество взаимосвязей не способно полностью перестроить структуру H2O.

Минерализация воды

Физическое свойство влияющее на вкус. Высокий уровень от 500 мг/л, придает различный привкус от металлического до щелочного (в зависимости от преобладающих растворенных элементов). Недостаточная минерализация, постоянное употребление такой жидкости приведет к возникновению в организме дефицита солей, микроэлементов и появлению сопутствующих болезней.

Вязкость воды

Величина определяющая текучесть, зависящая от изменения температуры. От ноля до десяти градусов кинематическая и динамическая вязкости равны, после, вторая изменяется в большую сторону. При 0 = 1,787, при 100 = 0,282 и 0,294.

Критическая точка воды

Состояние жидкости при котором возможно сосуществование двух фаз вещества (жидкого и парообразного). Значение критической точки – 647 К (374 градусов), давление – 22,064 МПа.

Диэлектрическая проницаемость воды

Сравнивая с самыми распространенными жидкостями, H2O имеет наибольшую – 80,4, остальные не превышают 10.

Теплоемкость воды

Уникальная физическая способность поглощать много теплоты и не нагреваться. При температуре 36,79 градуса у водички наблюдается минимальное значение (4174), от 0-37 идет понижение, а затем, чем выше температура, тем больше значение. Пример: при ноле – 4217, при 100 – 4220 Дж/кг*градус.

Текучесть и Плотность воды

Свойство противоположенное вязкости, способность жидкости принимать разную форму емкости в которую она налита.

Плотность воды о бщепринятое наибольшее значение равно 1000 кг/м3. Изменяется при смене агрегатного состояния, лёд при нулевой температуре имеет 920 кг/м3, водяной пар сотые доли от этой величины.

Сжимаемость воды

Физическое свойство изменять объем из-за воздействия внешнего давления. В отличие от других жидкостей, при поднятии температуры у которых сжимаемость увеличивается, у водички она незначительно изменяется только от +50 градусов. Показатель важен при расчете задач по подземной гидравлике, для разрабатывания нефтегазовых месторождений.

Электропроводность воды

Указывает на количество положительно и отрицательно заряженных ионов. Последние зависят от наличия в жидкости солей, щелочей и карбонатов. На характеристику влияют: температура, солевой состав, концентрация заряженных частиц. Питьевая содержит 300-1200 мкС/см при нормальной минерализации.

Радиоактивность

Природные неочищенные воды редко, но содержат радиоактивные элементы, вымываемые из горных пород, почвы или из осадков. В основном это радон, уран и радий. Возможно попадание в H2O радиационных веществ в результате сброса сточных вод с предприятий.

Из-за того, что физические свойства пластовых вод способны изменяться под воздействием внешних факторов и влияния человека, приходится очищать, ощелачивать или минерализовать воду перед употреблением.

Физико-химические свойства воды

Характеристики определяющие полезность H2O для употребления, а также помогающие выбрать необходимое оборудование для очистки. Выяснив, что температура и давление особо важны для физических свойств воды, узнаем, какие еще показатели изменяют ее.

Растворимость

Вода является основным растворителем на земле, но и она не способна растворить некоторые вещества, особенно органику. Растворимость бывает 5 видов:

  1. Неограниченная – пример: соединение воды и спирта, оба добавляются в любом количестве.
  2. Ограниченная – пример: соль плюс H2O, соотношение требует определенного количества вещества.
  3. Хорошая растворимость – больше 1 г при T=20 градусов.
  4. Малорастворимость – 1-0,01 грамма.
  5. Плохая – до 0,01 гр.

Это физико-химическое свойство играет важную роль для производства лекарств, в строительной сфере и многих других.

Кислотно-щелочное равновесие pH воды

Для хорошего самочувствия человека необходимо поддержание кислотно-щелочного баланса – интересно, что pH чистой водички приближен к показателю человеческой крови, слюны и плазмы. Оптимальный уровень составляет – 7,45, повышенный – от 10-11, низкий – до 6,8, нейтральный 7-8.

Окислительно-восстановительный потенциал воды

Характеризуется способностью жидкости вступать в биохимическую реакцию. Норма ОВП для питьевой воды составляет – 60 мВ, из артезианской скважины – 100-400 мВ. Низкое значение указывает, что это «живая», высокое «мертвая» вода. Преждевременное старение и болезни объясняются затратой организма энергии на выравнивание ОВП жидкости извне с показателем организма.

Химические свойства воды

Вступление в реакцию с металлами, неметаллами, гидратами, а также фотосинтез и биосинтез – являются химическими свойствами воды. Основные типы реакций:

  1. Взаимодействие с простыми веществами – реакции с щелочными металлами (натрий, кальций) происходят бурно с выделением тепла (водорода), пример: 2K + 2H2O = H2 + 2KOH.
  2. Реакции с металлами – с железом взаимодействует только при нагревании или добавлении кислорода, 4Fe + 3O2 + 6H2O 4Fe(OH)3.
  3. Реакция с неметаллами – не вступает без дополнительных условий (сильный нагрев), C + H2O = H2 + C.
  4. Взаимодействие с электрическим током – вода расщепляется на водород и кислород, 2H2O = 2H2 + O2.
  5. Реакции с оксидами неметаллов – пример природная с углекислыми газами или выхлопными с оксидами серы, азота, SO2 + H2O = H2SO4 (соединение в результате которого получилась серная кислота).
  6. Реакции с оксидами металлов – CaO + H2O = Ca(OH)2, но некоторые не растворяются и не реагируют: ZnO, TiO2, Cr2O3.
  7. Гидраты и кристаллогидраты – химический процесс, когда молекула сохраняется в таком же виде, или он имеет кристаллическую структуру, NaOH + H2O = гидрат NaOH.
  8. Фотосинтез – физико-химическое свойство получения из воды и углекислого газа под действием солнечного света: крахмала и глюкозы, 6n CO2 + 5n H2O = (C6H10O5)n + 6n O2.
  9. Биосинтез – на клеточном уровне водичка является растворителем, терморегулятором, транспортировщиком питательных веществ, она участвует в гидролизе жиров, белков и углеводов при пищеварении.

Важные химические, физико-химические и физические, а также необычные свойства обычной воды разобрали, узнаем интересные факты.

ВНИМАНИЕ: 1% пригоден для питья из четырех пятых покрывающих планету, 2% содержится в ледниках, а люди до сих пор не научились делать ее.

Вода идеальный растворитель

Газы, щелочи и остальные элементы растворяются в H2O. Эти свойства проявляются в Мировом океане, по подсчетам ученых в нем растворено только одного золота по 3 кило на душу каждого жителя Земли.

Химики занимающиеся опытами обнаружили, что она способна вступать в реакцию даже со стеклом, выступая в роли растворителя. Только гидрофобные вещества не поддаются воде, к ним относятся жиры (содержащиеся в клетках человека), благодаря их химическим свойствам человеческое тело не растворяется.

Атмосферные осадки

Вода, которая выпадает в твердом или жидком виде, она образуется из-за конденсации и концентрации водяного пара в высоких атмосферных слоях. Растворенные в них вещества, как вредные так и нет, определяют их пользу или вред, пример: кислотные, у которых уровень pH низкий, сжигают молодые неокрепшие растения. Техногенное развитие только ухудшает ситуацию, уровень колеблется в пределах крайних показателей загрязнения дождевых вод.